用于增强型无线通信覆盖区域的反射阵列天线的制作方法

1.本公开涉及无线通信系统，并且具体地，本公开涉及用于增强型无线通信覆盖区域的反射式相控阵列天线。


背景技术：

2.新一代无线网络正日益成为满足用户需求的必需品。移动数据流量每年都在持续增长，这对无线网络提供更高的速度、连接更多装置、降低延迟以及同时传输越来越多的数据提出了挑战。现在，无论环境和情况如何，无论是在办公楼、公共空间、露天保护区还是车辆中，用户都希望即时无线连接。为了满足这些需求，新的无线标准已被设计用于在不久的将来部署。无线技术的一个重大的发展是第五代蜂窝通信(5g)，它涵盖了不仅仅当前的第四代(4g)的长期演进(lte)能力，并承诺通过移动式无线、固定式无线等方式提供高速互联网。5g标准将操作扩展到毫米波段，其在全球范围内覆盖超过6ghz的频率，并扩展到计划的24ghz、26ghz、28ghz和39ghz直至300ghz，并且实现高速数据通信所需的宽带。
3.毫米波(mm-wave)波谱提供了约1到10毫米范围内的窄波长，这些波长容易受到高大气衰减的影响，并且必须在短距离(略超过一公里)内工作。例如，在具有街道峡谷的密集散射区域中以及在购物中心中，由于多径、阴影和地理障碍，可能存在盲点。在范围较大并且有时会出现极端气候条件和强降水的偏远地区，由于强风和风暴，环境条件可能会阻止运营商使用大型阵列天线。
4.尤其是用于用户无线通信的5g技术的未来发展和集成代表着一个巨大的挑战。具体来说，用于5g无线通信的基站需要在一定角度范围内提供恒定功率。在这方面，天线是用于无线通信的重要子系统，因为它是将导波转换为自由空间内的传播波的设备，反之亦然。可以根据应用对天线的不同参数(例如，尺寸、辐射方向图、匹配等)进行优化。在许多情况下，需要整形波束方向图来将功率充分重定向到所需区域。为5g网络提供毫米波无线通信的这些以及其他挑战对系统设计提出了艰巨的目标，包括在受控方向上生成所需波束形式而同时避免周围环境的许多信号和结构之间的干扰的能力。


技术实现要素：

5.本公开提供了用于增强型无线通信覆盖区域的反射阵列天线。具体地，本公开涉及对大入射角具有经改进的性能的单层反射阵列单元。对于大入射角，每个线性极化(例如，x极化(或水平极化)和y极化(或垂直极化))的性能不同。对于5g无线网络中的极化分集(polarization diversity)，两种极化(垂直和水平)的天线性能应该相同。主题技术的反射阵列单元允许反射阵列天线针对任何类型的极化辐射基本相同的辐射方向图。在一些实施方式中，反射阵列单元结合正交偶极子组，以提供大范围的相位、宽带和对制造误差的低敏感度。反射阵列单元为每个线性极化提供独立相位。在这方面，反射阵列单元可以被优化，以针对大入射角为两种极化提供相同的相移(例如，与电场的极化无关)。
6.本公开还提供设计反射阵列面板的快速且准确的过程。反射阵列面板可能由数千
个单元组成，并且优化所有反射阵列单元的现有技术在计算机处理时间方面可能有非常沉重的负担。主题技术的过程基于一个前提：馈源(例如，基站)远离反射阵列面板，并且入射角实际上是恒定的。在一些实施方式中，主题技术的过程包括四个主要步骤：1)执行方向图合成以确定反射阵列表面上的目标相位分布，2)确定反射阵列单元的几何参数，3)调整每个反射阵列单元上的偶极子长度，以及4)计算辐射方向图。在一些方面，确定反射阵列单元的几何参数以获得两个线性极化中的平滑相位变化。在一些方面，反射阵列单元的相位曲线和幅度曲线是通过针对每个极化对反射阵列单元进行计算机建模来获得的。获得所需频带中的中心频率和阈值频率的相位曲线和幅度曲线。使用先前计算的中心频率处的相位曲线调整每个单元上的偶极子长度，通过插值将目标相移与适当的偶极子长度相匹配。具有经调整的反射阵列单元偶极子的反射阵列面板的最终结果确保了两种线性极化的相同相位分布。此外，在中心频率和阈值频率处通过使用针对每个频率和线性极化的相位和幅度的预先计算值通过计算机建模来计算辐射方向图。
7.本公开还提供增强型仅相位方向图合成，以作为设计反射阵列面板的过程的一部分。5g无线网络在毫米波频带提供的覆盖区域可以包括在非常大的辐射角处发现的阴影区域。考虑到覆盖区域的场景、频率和反射阵列面板的尺寸，现有的方向图合成方法变得不稳定而导致在覆盖区域内仍然存在零点(nulls)，从而产生降低5g无线网络性能的衰落区域。因此，通过计算机建模来实施主题技术的方向图合成，以优化反射阵列单元以避免覆盖区域中的零点。在一些实施方式中，主题技术的方向图合成过程包括：1)提供宽散焦波束作为起点，2)根据反射阵列面板的大小，以绝对增益执行合成，以及3)将过程划分为多个步骤，从针对方向图的目标低增益开始，并在每一步中逐渐增大增益。
附图说明
8.联系以下结合附图来理解的详细描述，可以更充分地理解本技术，附图不是按比例绘制的，其中相似的附图标记始终指代相似的部分，在附图中：
9.图1图示了根据主题技术的各种实现方式的在其中部署反射阵列天线以增强无线通信的环境；
10.图2图示了根据主题技术的各种实现方式的具有各种单元配置的反射阵列天线的示意图；
11.图3图示了根据主题技术的各种实现方式设计用于增强型无线通信覆盖区域的反射阵列天线的示例过程的流程图；
12.图4图示了根据主题技术的各种实现方式的平面反射阵列天线和所考虑的单位单元的示例的示意图；
13.图5a和5b图示了根据主题技术的各种实现方式的不同反射阵列天线堆叠配置的剖视图的示意图；
14.图6a和6b图示了根据主题技术的各种实现方式的作为x极化的偶极子长度的函数的相位曲线和幅度曲线的绘图；
15.图7图示了根据主题技术的各种实现方式用于执行图3的方向图合成以优化反射阵列天线设计的示例过程的流程图实现方式；
16.图8图示了根据主题技术的各种实现方式的基站相对于反射阵列天线的几何设置
的示意图；
17.图9a-图9d图示了根据主题技术的各种实现方式的对于给定反射阵列单元针对x极化和y极化的作为偶极子长度的函数的相位曲线和幅度曲线的绘图；
18.图10图示了根据主题技术的各种实现方式的用于与图9的反射阵列单元结合使用的针对x极化和y极化的目标相移分布的绘图；
19.图11a-图11f图示了根据主题技术的各种实现方式的描绘来自图10的合成相位分布的期望辐射方向图的绘图；
20.图12a-图12d图示了根据主题技术的各种实现方式的对于给定反射阵列单元针对x极化和y极化的作为偶极子长度的函数的相位曲线和幅度曲线的绘图；
21.图13图示了根据主题技术的各种实现方式的用于与图12的反射阵列单元结合使用的针对x极化和y极化的目标相移分布的绘图；
22.图14a-图14c图示了根据主题技术的各种实现方式的描绘来自图13的合成相位分布的期望辐射方向图的绘图；
23.图15a-图15d图示了根据主题技术的各种实现方式的针对不同辐射方向图在中心频率处的方位角和仰角的主切面平面的绘图；
24.图16图示了根据主题技术的各种实现方式的与图15a和图15b的辐射方向图相关联的x极化和y极化在中心频率处的相位误差的度数绘图；
25.图17a-图17d图示了根据主题技术的各种实现方式的针对不同工作频率和衬底的方位角和仰角的辐射方向图主切面平面的绘图；
26.图18a-图18d图示了根据主题技术的各种实现方式的针对不同衬底介电常数的方位角和仰角的辐射方向图主切面平面的绘图；
27.图19a-图19d图示了根据主题技术的各种实现方式的针对不同电介质厚度量的方位角和仰角的辐射方向图主切面平面的绘图；
28.图20概念性地图示了根据主题技术的各种实现方式的室外环境中的反射阵列天线的示例；
29.图21图示了根据主题技术的各种实现方式的可以在其中部署反射阵列天线以显著提高5g无线覆盖范围和性能的环境；
30.图22图示了根据主题技术的各种实现方式的反射阵列在室内环境中的放置；
31.图23概念性地图示了根据主题技术的各种实现方式的室内环境中的反射阵列天线的示例；以及
32.图24概念性地图示了可以实现主题技术的一种或多种实现方式的电子系统。
具体实施方式
33.反射阵列天线适用于许多不同的5g和其他无线应用，并且可以部署在各种环境和配置中。在各种示例中，反射阵列天线是具有导电印刷元件的单元阵列，这些导电印刷元件将来自馈源的入射射频(“rf”)信号反射到单个方向上的聚焦定向波束中。反射阵列天线能够在5g无线网络的更高频率和相对较短的距离下运行。反射阵列单元，如本文一般定义的，其可以是设计的、非周期性的或半周期性的结构，其在空间上分布以引入特定的频率相关相位分布。它们的设计和配置由针对给定应用或部署(无论是室内还是室外)的几何和覆盖
区域的考量而决定。
34.下面阐述的详细描述旨在作为对主题技术的各种配置的描述，而不是旨在代表可以实践主题技术的唯一配置。附图并入本文并构成详细描述的一部分。详细描述包括具体细节，这些具体细节用于提供对主题技术的透彻理解的目的。然而，主题技术不限于本文阐述的具体细节并且可以使用一种或多种实施方式来实践。在一个或多个实例中，结构和组件以框图形式显示以避免混淆主题技术的概念。在其他情况下，可能不会详细描述众所周知的方法和结构以避免不必要地混淆对示例的描述。此外，这些示例可以相互组合使用。
35.图1说明了根据主题技术的各种实现方式的在其中部署反射阵列天线以增强无线通信的环境。无线网络100在至少一个无线基站(base station，bs，诸如bs 102)的传输和接收范围内为用户设备(user equipment，ue)提供服务。bs 102在其覆盖区域内发送和接收来自ue(例如，ue 104a-104h)的无线信号。覆盖区域可能会被环境中的建筑物或其他结构破坏，这可能会影响无线信号的质量。如下文更详细描述的，ue 104a-104h的无线覆盖可以通过在它们附近安装反射阵列天线106来显著改善。尽管出于说明目的示出了单个反射阵列天线106，但是可以根据需要将多个这样的反射阵列天线放置在无线网络100中。
36.在各种示例中，反射阵列天线106可以用作bs 102和ue 104a-104h之间的无源中继器或有源中继器。反射阵列天线106以入射角(或方向)接收来自bs 102的信号并将该信号反射成瞄准ue 104a-104h的一个或多个定向波束。图示108描绘了来自一个入射角(该入射角具有仰角θ
in
和方位角)的入射波束，并描绘以反射角(该反射角具有仰角θ
out
和方位角θ
out
)辐射的反射波束。反射阵列天线106的方向性是通过考虑无线网络100的几何配置(例如，bs 102的放置、相对于反射阵列天线106的距离等)以及网络100中的反射阵列天线106的天线规格来实现的，如以下更详细描述的。可以使用各种配置、形状和尺寸来实现特定的设计并满足特定的覆盖区域约束。反射阵列天线106可以放置在任何无线网络环境中，无论是郊区安静区域还是交通繁忙区域(例如，高密度城市街区)。使用反射阵列(例如，反射阵列天线106)并如本文所公开的那样设计可以导致性能显著提高，甚至是当前5g数据速率的10倍。反射阵列天线106成本低，易于制造和设置反射阵列，并且可以自校准而不需要对其操作进行手动调整。
37.现在关注图2，其图示了根据主题技术的各种实现方式的具有各种单元配置的反射阵列天线200的示意图。反射阵列天线200包括以行和列组织的单元阵列。反射阵列天线200可以是无源的或有源的。无源反射阵列可能不包括任何有源电路或其他控件，因为一旦就位，它就会被动地将入射波束重新定向到特定的聚焦方向。反射阵列天线200由于其各个单元以及这些单元内的各个导电印刷元件的尺寸和配置而提供了：方向性、以及高的带宽和增益。
38.在各种示例中，反射阵列天线200中的单元包括不同形状的导电印刷贴片。在其他示例中，反射阵列单元可以由微带、间隙、贴片、偶极子等组成。可以使用各种配置、形状和尺寸来实现特定设计并满足特定约束。如图所示，反射阵列天线200是一个矩形反射阵列，该矩形反射阵列长度为l并且宽度为w。在其他示例中，反射阵列天线200可以是半径为r的圆形。反射阵列天线200中的每个单元都具有导电印刷元件。导电印刷元件也可以具有不同的配置，例如方形贴片、矩形贴片、偶极子、多个偶极子等。也可以设计成其他形状(例如梯形、六边形等)，以满足给定5g或其他无线应用的设计标准，例如反射阵列天线200相对于bs
的位置、所需的增益和方向性性能、等等。
39.例如，反射阵列天线200包括单元202，该单元202是矩形单元，该矩形单元的宽度尺寸和长度尺寸分别为wc和lc。该单元202包括具有尺寸w
re
和l
re
的导电印刷元件204。导电印刷元件的尺寸在亚波长范围内其中λ指示其入射或反射rf信号的波长。在其他示例中，反射阵列天线200包括单元206，该单元206具有交叉偶极子元件208。如下文更详细描述的，反射阵列天线200的设计由对于给定应用或部署(无论是室内还是室外)的几何考量而决定。反射阵列天线200的尺寸、形状和单元配置将因此取决于特定应用。
40.现在关注图3，图3示出了根据主题技术的各种实现方式设计用于增强型无线通信覆盖区域的反射阵列天线的示例过程300的流程图。出于解释的目的，示例过程300在本文中主要参考图4、5a-b、6a-b、7a-b以及图24的电子系统2400来描述；然而，示例过程300不限于图24的电子系统2400，并且示例过程300可以由图24的电子系统2400的一个或多个其他组件执行。进一步地，为了解释的目的，示例过程300的各块在本文中被描述为串行地或线性地发生。然而，示例过程300的多个块可以并行发生。此外，示例过程300的各块可以以与所示顺序不同的顺序执行和/或示例过程300的各块中的一个或多个不被执行。
41.示例过程300开始于步骤302，其中确定天线规格。在一些实现方式中，天线规格可以包括关于以下项的信息：反射阵列的形状、反射阵列中的元件数量、元件的周期性、材料的电特性、反射阵列的孔径大小、在方位角和仰角上辐射波束的形状、辐射波束的方向、反射阵列与bs之间的距离、基站在笛卡尔坐标中的位置、反射阵列的半功率波束宽度(hpbw)、工作频率、等等。
42.为了解释的目的，将参考图4所示的反射阵列配置400的示例来讨论确定天线规格的步骤。现在关注图4，其图示了根据主题技术的各种实现方式的平面反射阵列天线和所考虑的单位单元的示例的示意图。反射阵列配置400包括反射阵列天线404，该反射阵列天线404由在其表面上产生入射电场的馈源402照射。在一些实现方式中，馈源402可以是具有无线电的bs，或者在其他实现方式中可以是喇叭天线。在一些示例中，反射阵列天线404是矩形的并且由88
×
88的矩形网格中的大约7,744个元件组成。在其他示例中，反射阵列天线404由66
×
66的矩形网格中的大约4,356个元件组成。在不脱离本公开的范围的情况下，反射阵列天线400可以包括与图4所示不同的具有不同数量元件的网格的形状。馈源402可以放置在相对于反射阵列天线404的中心的预定距离。在一些方面，馈源402可以被建模为cosqθ函数。
43.图4所示的图示410包括子阵列的单元，即单元412、414、416和418。每个单元由图案化层组成，该图案化层包括一组用于每个线性极化的多个平行偶极子。每个单元的长度(沿x轴)和宽度(沿y轴)被分别表示为p
x
和py。长度可以在3.0mm到5.0mm的范围内，而宽度可以在3.0mm到5.0mm的范围内。图示410内的单元的周期在两个轴(例如，x，y)上都在3.0mm至5.0mm的范围内，其在大约28ghz的工作频率下小于半波长，以避免出现栅瓣。工作频率在27.5ghz到28.5ghz的范围内，更具体地，在大约28ghz的中心频率处。
44.偶极子之间沿y轴的间隔被设定为sa以用于分离，而偶极子之间沿x轴的间隔被设定为sb以用于分离。在某些方面，间隔(sa，sb)可以被设定为在0.4mm到1.1mm的范围内，取决于偶极子的尺寸。图示410包括：具有沿x轴横向延伸的偶极子的第一元件类型(例如，420)、
以及具有沿y轴横向延伸的偶极子的第二元件类型(例如，422)。在一些实现方式中，每种元件类型包括：具有第一长度(表示为l
a1
，l
b1
)的两个平行偶极子、以及具有第二长度(表示为l
a2
，l
b2
)的一个偶极子(该一个偶极子插入在平行排列的两个第一长度偶极子之间)。在一些方面，第二长度大于第一长度，使得第一长度是第二长度的一预定分数。例如，该预定分数被设定为在0.5到0.8的范围内的分数值。每个偶极子的宽度可以在0.2mm到0.4mm的范围内。图示410包括：在单元412、414、416和418中的每一个单元中的第一元件类型、以及位于该图示410的中心处(即，中心在单元412、414、416和418之间)的第二元件类型。在一些实现方式中，第一元件类型(例如，420)的布置与第二元件类型(例如，422)的布置正交，其中第一元件类型平行于x轴延伸并且第二元件类型平行于y轴延伸。如图4所示，图示410包括单个衬底层，该衬底层在工作频率上具有：相对介电常数εr(该介电常数εr在3.64到3.72的范围内)、以及损耗角正切δ(该损耗角正切δ在0.0072到0.0095的范围内)。在一些示例中，该衬底层具有在0.254mm(或10mil)至1.524mm(或60mil)的范围内的厚度(或高度，h)。
45.现在关注图5a和图5b，其图示了根据主题技术的各种实现方式的不同反射阵列天线堆叠配置的剖视图的示意图。在一些实现方式中，图4中描绘的衬底层可以对应于图5a和图5b中所示的叠层结构之一或至少其一部分。图5a示出了第一叠层结构500的剖视图，而图5b示出了第二叠层结构550的剖视图。然而，并非所有描绘的组件都可以使用，并且一种或多种实现方式可以包括图中未示出的附加组件。在不脱离本文所述的权利要求的范围的情况下，可以对部件的布置和类型进行改变。可以提供额外的组件、不同的组件或更少的组件。
46.在图5a中，第一叠层结构500包括覆板502、接合层504、衬底508以及导电层506和510。在一些实施方式中，覆板502在10ghz下具有介电常数＝1.1和损耗角正切＝0.003，这对应于市售的rohacell hf71，并且厚度在0.508mm(或20mil)到1.524mm的范围内(或60mil)。接合层504是一种预浸渍复合材料，该材料包括乙烯-丙烯酸热塑性共聚物(在10ghz下，介电常数＝2.32，损耗角正切＝0.0013)，这对应于市售的cuclad 6250，厚度为约0.064毫米(或约2.5mil)。在一些实现方式中，衬底508在10ghz下具有介电常数＝3.65和损耗角正切＝0.0125，这对应于市售的isola fr408，并且具有大约1.5mm(或59mil)的厚度。在一些实现方式中，导电层506和510包括小于1.0的铜密度。在一些方面，导电层506是用作信号平面的图案化层，并且导电层510用作接地平面。
47.如图5b所示，第二叠层结构550包括覆板552、接合层554、衬底558和导电层556和560。在一些实现方式中，覆板552和衬底558包括相同的材料，其中每一层在10ghz下具有介电常数＝3.65和损耗角正切＝0.0125，其对应于市售的isola fr408，并且具有约0.711mm(或28mil)的厚度。接合层554是预浸渍的复合材料，该材料在10ghz下具有介电常数＝3.6以及损耗角正切＝0.001，具有约0.1mm(或4mil)的厚度。在一些实现方式中，导电层556和560包括小于1.0的铜密度。在一些方面，导电层556是用作信号平面的图案化层，并且导电层560用作接地平面。
48.返回参考图3，在步骤304处，在感兴趣频带中的一个或多个频率处针对第一线性极化和第二线性极化，根据天线规格计算反射阵列单元的相位曲线和幅度曲线，它们为反射阵列单元中的偶极子长度的函数。例如，第一线性极化和第二线性极化分别对应于x极化和y极化。感兴趣的频带可以对应于在毫米频带中适用于5g无线通信的频率，例如：在一些
方面，对应于27.2ghz到28.2ghz的范围(该范围的中心频率在大约27.7ghz)、或者对应于27.5ghz到28.5ghz的范围(该范围的中心频率约为28.0ghz)。可以在中心频率处(包括在阈值频率处)获得相位曲线和幅度曲线。相位曲线和幅度曲线可以图示由反射阵列元件产生的相移以及信号损失，它们为偶极子长度的函数。
49.现在关注图6a和图6b，其图示了针对x极化的作为偶极子长度的函数的相位曲线和幅度曲线的绘图。图6a和图6b中的绘图是基于单元几何参数和衬底特性生成的。例如，在图6a中，单元周期被设定为5.0mm，偶极子长度l
a1
＝0.6*l
a2
并且偶极子宽度＝0.4mm，而偶极子间隔被设定为1.1mm。衬底层具有介电常数＝3.65和损耗角正切＝0.0095。针对在28ghz的工作频率下以垂直入射角撞击的线性极化平面波在无限周期阵列环境中分析反射阵列单元的相位和幅度响应。绘图610描绘了针对三个频率(分别为27.5ghz、28ghz、28.5ghz)的作为偶极子长度l
a2
的函数的三个相位曲线。绘图612描绘了针对同样的三个频率(分别为27.5ghz、28ghz、28.5ghz)作为偶极子长度l
a2
的函数的三个幅度曲线。如可以观察到的，绘图610中的相位曲线示出了在2.0mm至4.5mm的偶极子长度范围内的大约400度的相位范围。类似地，绘图612中的幅度曲线示出了对应于2.0mm至4.5mm的偶极子长度范围的幅度损失。有了这些信息，就可以确定实现所需相移的相应偶极子长度。
50.在一些实现方式中，相位和幅度受衬底厚度影响。绘图620描绘了针对不同衬底厚度(即20mil、30mil、50mil和60mil)作为偶极子长度l
a2
的函数的四个相位曲线。例如，与衬底厚度20mil、30mil相比，衬底厚度50mil、60mil情况下的相变更平滑。在这方面，绘图622描绘了针对对应的衬底厚度的四个幅度曲线，其中，当衬底厚度被设定为约20mil、30mil时，与其他衬底厚度50mil，60mil相比，在约3.0mm的偶极子长度处的幅度损失更大。
51.在图6b中，将单元周期设定为4.5mm而不是5.0mm，并且针对在28ghz的工作频率下以垂直入射角撞击的线性极化平面波在无限周期阵列环境中分析反射阵列单元。绘图630描绘了针对不同衬底厚度(即20mil、30mil、50mil和60mil)作为偶极子长度l
a2
的函数的四个相位曲线。在此示例中，与衬底厚度20mil、30mil相比，衬底厚度50mil、60mil情况下的相变更平滑。对于小于30mil的衬底厚度，相移在大约3.0毫米处变化更显著。绘图632描绘了针对对应的衬底厚度的四个幅度曲线，其中，当衬底厚度被设定为约20mil、30mil时，与其他衬底厚度50mil、60mil相比，在约3.0mm的偶极子长度处的幅度损失更大。与绘图642相比，绘图632中的针对20mil的衬底厚度的幅度损失显得更小。绘图640和绘图642分别描绘了当入射平面波被设定为0度方位角和50度仰角时的相位曲线和幅度曲线。与绘图630和绘图632相比，在相应的偶极子长度处，绘图640中的相位曲线似乎显示了针对衬底厚度50mil、60mil的相位变化更快，并且绘图642中的针对衬底厚度50mil、60mil的幅度损失更为普遍。
52.返回参考图3，在步骤306处，通过仅相位方向图合成，从天线规格确定反射阵列表面上的目标相位分布。尽管可以通过解析方程确定在某个方向上为高增益笔形波束方向图设计反射阵列天线，但非规范波束的方向图合成具有挑战性，需要在规范严格的应用中(例如，在5g无线应用中)使用优化算法。在步骤306处的仅相位方向图合成提供了用于5g无线通信的反射阵列天线的方向图优化，包括共极规范和交叉极规范。在一些实现方式中，方向图合成基于使用广义交叉方法(intersection approach，ia)算法来优化反射阵列单元。在一些实现方式中，主题技术的方向图合成被划分为两个阶段。首先，使用ia算法执行仅相位
合成方法，以获得生成所需形状辐射方向图的相移分布。其次，通过调整每个单元的尺寸(例如，修改每个单元中的偶极子长度)来获得反射阵列天线的布局。
53.在主题技术中，反射阵列单元被优化，以为大入射角的两种线性极化提供相同的相移。在这方面，执行方向图合成以获得两个相移分布，每个线性极化一个。在一些方面，相同的相移分布可以用于两种线性极化。
54.现在关注图7，其图示了根据主题技术的各种实现方式的用于执行在图3的步骤306处描述的仅相位方向图合成以优化反射阵列天线设计的示例过程700的流程图。为了解释的目的，在本文中主要参考图24的电子系统2400来描述示例过程700；然而，示例过程700不限于图24的电子系统2400，并且示例过程700可由图24的电子系统2400的一个或多个其他组件执行。进一步地，为了解释的目的，示例过程700的各块在本文中被描述为串行地或线性地发生。然而，示例过程700的多个块可以并行发生。此外，示例过程700的各块可以以与所示顺序不同的顺序执行和/或示例过程700的各块中的一个或多个不被执行。
55.示例过程700开始于步骤702，其中至少基于馈源位置来确定覆盖区域。这一步涉及确定bs相对于ue的几何设置。几何设置包括bs在无线网络中的位置，包括它与反射阵列天线的距离，以及反射阵列天线本身的方向和位置。现在关注图8，其图示了位于以下位置处的bs 802的几何设置：与位于反射阵列天线800的中心的笛卡尔(x，y，z)坐标系相距d0。反射阵列天线800的位置沿着x轴，并且y轴表示其视轴。bs 802具有仰角θ0和方位角请注意，确定几何设置是一个简单的过程，涉及简单的几何工具(例如，激光测距仪和角度测量仪)。这突出了反射阵列天线800的设置简便性，并进一步激励其使用高度可制造的反射阵列，以低成本实现其显著的无线覆盖和性能改进，该反射阵列可轻松部署在任何5g无线环境中(无论是室内还是室外)。该反射阵列天线800可用于反射来自由bs 802服务的5g网络内的ue(例如，位与反射阵列天线800相距d1的、具有仰角θ1和方位角的ue 804)的入射rf波。
56.返回参考图7，在步骤704处，至少基于反射阵列表面的初始几何参数和馈源位置来计算反射阵列表面上的切向反射场。主题技术的方向图合成是一种迭代算法，每次迭代(i)在切向反射场上执行两次操作，所以该算法的工作原理可以被描述为：
[0057][0058]
其中是前向投影仪(该前向投影仪将天线的辐射场投射到一组符合天线规格的场上，是后向投影仪(该后向投影仪将符合天线规格的场投射到这组可以由天线辐射的场上，并且是在反射阵列表面上的切向反射场。返回参考图4，反射阵列天线404被馈源402照射，在其表面上产生入射电场。每个反射阵列单元的反射阵列表面上的切向反射场可以被表示为：
[0059][0060]
其中r
l
是反射系数矩阵，(x
l
，y
l
)是反射阵列元件l的中心的坐标，是从馈源撞击的固定入射场。矩阵r
l
的组成部分是完全表征反射阵列单元的电磁行为的复数。反射系数矩阵采用以下形式：
[0061][0062]
其中和被称为直接系数，而和被称为交叉系数。共极模式可以取决于直接系数，而交叉极模式取决于所有系数。在一些方面，使用假定局部周期的全波分析工具来计算系数。
[0063]
随后，在步骤706处，该算法从反射阵列天线中心处的焦点开始，其中大约20％的元件集中在中心。这是因为反射阵列天线的中心被馈源照亮最多。
[0064]
作为辐射方向图优化的一部分，辐射方向图规范被强加在共极分量和交叉极分量中。在执行主题技术的方向图合成时，由于反射阵列单元分析的简化，只考虑了共极要求。在ia算法中，共极规范由两个掩罩模板(mask template)表示，即最小(t
min
)值和最大(t
max
)值，t
min
值和t
max
值是最小阈值和最大阈值，预期共极辐射方向图处于该最小阈值和最大阈值之间。在这方面，相对于掩罩阈值，共极增益(g
cp
)可以被表示如下：
[0065]
t
min
(u,v)≤g
cp
(u,v)≤t
max
(u,v)
ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
方程(4)，其中和是角坐标，在该角坐标处计算远场。
[0066]
接下来，在步骤708处，至少基于在预定仰角平面和预定方位角平面处指向覆盖区域的散焦辐射波束来确定反射阵列表面上的针对共极反射系数的初始相位分布。如上所述，方向图合成的目的是获得相移分布，以生成所需形状的辐射方向图。在这方面，可以解析得到方向图合成的初始相位分布，其可以被表示如下：
[0067][0068]
其中∠ρ(x
l
,y
l
)是直接反射系数(ρ
xx
或ρ
yy
分别针对线性极化x和线性极化y)的相位，d
l
是从馈源到第l个元件(参见图4的410)的距离，d0是对应于散焦波束的馈源的位移(散焦距离)；并且是聚焦波束的指向方向。在某些方面，将角度选择为在所需形状的波束具有相对高增益的方向上。在这方面，散焦波束指向一个方向，该方向对应于笔形波束具有最大增益的方向。
[0069]
随后，在步骤710处，利用第一目标增益对初始相位分布执行迭代方向图合成算法的第一步。在一些实现方式中，迭代方向图合成算法的每个步骤包括执行前向投影操作和后向投影操作。在一些方面，前向投影操作包括：针对两种线性极化计算远场的辐射方向图、以及修整由天线辐射的当前增益的远场增益。在一些实现方式中，每个步骤可以利用同样的参数对这些操作执行固定次数的迭代。在一些方面，执行的迭代次数可以在步骤之间变化，这取决于实现方式。
[0070]
在一些实现方式中，反射阵列单元被建模为理想的移相器，其中没有损耗(例如，)并且没有元件交叉极化(例如，)并且没有元件交叉极化(例如，)。因此，反射系数矩阵被简化为：
[0071][0072]
其中φ
l
是相应反射系数的相位。在这方面，每个极化的切向反射场基于两个直接
系数的相位，即和反射阵列天线可归类为平面孔径，而远场可通过使用快速傅里叶变换(fast fourier transform，fft)算法确定。例如，fft计算反射阵列天线辐射的当前远场。
[0073]
针对x极化的远场辐射方向图可以被表示为：
[0074][0075][0076]
而针对y极化，远场辐射方向图可以被表示为：
[0077][0078][0079]
其中：
[0080][0081]
在一些实现方式中，对于两种线性极化，共极分量是从球坐标中的远场获得的。一旦获得了共极远场辐射方向图，就可以计算平方场幅度或增益。例如，可以通过计算馈源辐射的总功率来估计增益。前向投影操作还包括：根据掩罩阈值(例如，t
min
(u,v)≤g
cp
(u,v)≤t
max
(u,v))来修整远场增益。例如，如果反射阵列天线的当前增益大于t
max
，则g
cp
减少到t
max
，反之，如果g
cp
小于t
min
，则g
cp
增大到t
min
。前向投影操作的修整操作的结果是经修改的符合天线规格的远场。
[0082]
后向投影操作使天线辐射的修整后的增益与当前增益之间的距离最小化，从而获得切向反射场，该切向反射场产生的辐射方向图更接近于满足天线规格。因此，反向投影操作可以被表示为：
[0083][0084]
在一些实现方式中，后一操作由最小化算法执行，例如列文伯格-马夸尔特算法(levenberg-marquardt algorithm，lma)。优化变量可以是反射系数的相位，φ
xx
用于x极化并且φ
yy
用于y极化。在其他实现方式中，可以使用ia算法执行直接优化布局，其中优化变量表示偶极子长度而不是反射系数的相位。在一些方面，可以独立地合成这两个极化。在一些实现方式中，使用lma的反向投影操作可以包括：使用雅可比矩阵(jacobian矩阵)(j)执行梯度计算并执行矩阵乘法(j
t
j)等等。
[0085]
接下来，在步骤712处，确定是否有迭代方向图合成算法的下一步。如果有该算法的下一步，则过程700进行到步骤714。否则，过程700进行到步骤718。在一些实现方式中，方向图合成算法包括确定算法的收敛性，以确定是否有该算法的另一步骤。在这方面，如果算法不收敛，则过程700进行到步骤714。
[0086]
如上所述，该算法从反射阵列天线中心的焦点开始，其中大约20％的元件集中在该中心。在一些方面，通过设定照明的最小阈值水平和最大阈值水平以仅优化围绕中心的单元环，在每个后续步骤将焦点增大到中心周围的附加元件。可以根据光照水平选择需要优化(和/或改进)的单元。在一些实现方式中，计算每一步之后的误差以确定如何调整下一步的迭代次数。
[0087]
在步骤714处，将增益增大到大于第一目标增益的第二目标增益。在一些实现方式中，增益逐渐增大(例如，递增0.5db)。在其他方面，增益的增大对应于覆盖区域内围绕反射阵列天线中心的固定数量的反射阵列元件上的预定照明水平。在这方面，增益的增量增大可以对应于调整后的聚焦波束。方向图合成分多步进行，逐渐增大增益，以进一步提高算法的收敛性。
[0088]
在步骤716处，利用第二目标增益对初始相位分布执行迭代方向图合成算法的下一步。在步骤716结束时，过程700返回到步骤712以确定是否有下一步骤。
[0089]
在步骤718处，从方向图合成的结果来确定反射阵列表面上的目标相位分布。如本文所用，术语“目标相位分布”可以指代术语“合成的相位分布”以表示其与方向图合成的关系，并且该术语可以互换使用而不脱离本公开的范围。
[0090]
返回参考图3，在步骤308处，针对特定线性极化中的反射阵列单元，将来自相位曲线的相位与目标相位分布的相位进行比较。随后，在步骤310处，确定被比较的相位是否匹配。如果这些相位匹配，则过程300进行到步骤314。否则，过程300进行到步骤312。
[0091]
在步骤312处，使用计算得到的相位曲线为该反射阵列单元调整该反射阵列单元上的、对应于与目标相位分布中的相位匹配的相位的一个或多个偶极子长度。返回参考图7，在步骤720处，从合成的相位分布中细化反射阵列单元的几何参数。例如，调整每个反射阵列单元的偶极子长度，使得该元件提供的相移与合成相位分布中表示的相应相移相匹配。在一些方面，使用线性方程来粗略估计提供所需相移的偶极子的尺寸值。
[0092]
接下来，在步骤314处，确定是否存在下一个线性极化。如果存在下一个线性极化，则过程300返回到步骤308。否则，过程300进行到步骤316。在一些实现方式中，针对两个线性极化独立地执行偶极子长度调整。例如，在步骤312中进行的初始偶极子长度调整可能已经针对x极化，而步骤314确定需要在y极化中调整偶极子长度，反之亦然。
[0093]
在步骤316处，确定是否存在下一个反射阵列单元。如果存在下一个反射阵列单元，则过程300返回到步骤308。否则，过程300进行到步骤318。在这里，如果所有反射阵列单元都已经被处理，则过程300进行到步骤318，以确定最终反射阵列天线布局，该布局生成所需形状的辐射方向图。
[0094]
随后，在步骤318处，针对每个线性极化计算反射阵列天线使用预定反射系数的第一辐射方向图。例如，可以使用方程7-10处对辐射远场的解析表示来生成第一辐射方向图。接下来，在步骤320处，针对每个线性极化计算具有经调整的一个或多个偶极子长度的反射阵列天线的第二辐射方向图。可以通过对合成的相位分布执行fft运算来生成第二辐射方向图。在一些方面，在整个可见区域的u-v平面中，第二辐射方向图可以包括远场的共极分量和/或远场的交叉极分量。
[0095]
随后，在步骤322处，通过比较第一辐射方向图与第二辐射方向图来验证反射阵列天线的几何参数。在一些方面，可以比较两个辐射模式以确定增益和/或损耗的任何差异。在一些实现方式中，获得以下项以更好地确定满足规范的程度：两种线性极化的仰角和方位角的主切面平面(main cut)、以及掩罩阈值。在一些方面，可观察相对于最小阈值水平和最大阈值水平而言的旁瓣水平(side lobe level，sll)。
[0096]
接下来，在步骤324处，提供经验证的几何参数以制造反射阵列天线，其中每个单元被制造成具有优化的偶极子长度和单元几何参数，这产生了针对两个线性极化的目标相
位分布。在一些方面，由电子设备(参见图24)通过电子设备的网络接口、在网络上将具有经验证的几何参数的反射阵列天线的设计提供给执行一个或多个制造过程的另一电子设备。
[0097]
反射阵列制造完成后，即可进行放置和操作，以显著提高任何5g或其他无线应用的无线覆盖范围和性能(无论是室内还是室外)。请注意，即使在设计完成并且反射阵列被制造并放置在实现高性能无线应用的环境中之后，仍然可以通过使用附加到反射阵列的旋转机构来调整反射阵列。除了许多配置之外，本文公开的反射阵列可以生成聚焦的定向窄波束，以改进ue和在无线网络中为ue服务的bs之间的无线通信。反射阵列成本低，易于制造和设置，并且可以自我校准，无需5g或无线网络运营商调整其操作。它们可是无源的(或者是有源而带有集成发射器的)，可以实现类似mimo的增益并丰富多径环境。可以理解，这些反射阵列有效地实现了5g的预期性能和高速数据通信承诺。
[0098]
图9a-图9d示出了根据主题技术的各种实现方式的对于给定反射阵列单元(例如，图4的反射阵列配置400)针对x极化和y极化的作为偶极子长度的函数的相位曲线和幅度曲线的绘图。在本示例中，所考虑的反射阵列天线是矩形的，并且由31,684个单元(178个元件在主轴中)组成。两个轴的周期均为4.5mm，其小于27.7ghz的工作频率下的半个波长，以最小化(或避免)栅瓣。馈源(或基站)可以被放置在相对于反射阵列中心的(-33.5，-10.3，24.9)m处，馈源和反射阵列天线之间的距离为43m。反射阵列配置400在偶极子之间具有约0.7mm的间隔，而所有偶极子的宽度为约0.25mm。偶极子长度被设定为l
a1
(l
b1
)＝0.65*l
a2
(l
b2
)。关于远场规范，5g基站的选定方向图在方位角具有平方余割波束，并且在仰角具有扇形波束，以在方位跨度内提供恒定的功率通量。波束指向16
°
仰角和0
°
方位角。该方向可以对应于规范中以高增益掩罩罩的区域。在图9a和图9b中，绘图910和绘图912分别示出了针对x极化的反射阵列单元的相位曲线和幅度曲线，假设无限周期阵列模型和以角度(θ＝54.5
°
，φ＝17
°
)撞击的斜入射的线极化平面波，这些角度对应于从馈源(或基站)在反射阵列天线的中心上的入射角。在绘图9c和绘图9d中，绘图920和绘图922分别示出了针对y极化的反射阵列单元的相位曲线和幅度曲线，其是在与绘图9a和绘图9b中所示的曲线相同的条件下获得的。
[0099]
图10示出了根据主题技术的各种实现方式的用于与图9的反射阵列单元结合使用的针对x极化和y极化的目标相移分布的曲线图。绘图1010表示从绘图7中描述的方向图合成操作所输出的合成相位分布。在某些方面，绘图1010显示了主轴的元件阵列，其中阵列中的特定的第i个元件的位置对应于两个线性极化所需的相移。在绘图1020中，合成相位分布针对给定偶极子长度的x极化。类似地，绘图1030中显示了针对在y极化中的偶极子长度的合成相位分布。在一些实现方式中，在两个线性极化中实施相同的相位分布。在一些方面，反射阵列天线可以根据入射场的极化以双线性极化(linear polarization，lp)或双圆极化(circular polarization，cp)辐射。
[0100]
图11a-图11f示出了根据主题技术的各种实现方式的描绘来自图10的合成相位分布的期望辐射方向图的曲线图。在图11a中，绘图1110表示：x极化中的共极方向图的仰角的主切面平面、以及掩罩阈值1112和1114(分别描绘为掩罩1和掩罩2)。掩罩阈值1112对应于最大增益阈值，并且掩罩阈值1114对应于最小增益阈值。辐射方向图信号1116具有在-25
°
至 25
°
方位角范围内被计算为介于最小和最大阈值之间的电流增益。图11b示出了远场辐射方向图1120，其是所需辐射方向图的共极分量的三维表示。在图11c和图11d中，绘图1130
和绘图1132分别描绘了针对x极化的初始辐射方向图，其中在中心频率(或预合成计算)处使用预定幅度和相位用于共极反射系数和交叉极反射系数，其中远场的共极和交叉极分量字段分别显示在整个可见区域的平面的u-v平面。例如，绘图1130和绘图1132描绘了反射阵列天线在27.7ghz的工作频率下的辐射方向图，其是通过考虑提供所需相移并具有零介电损耗的理想反射阵列单元(或理想移相器)而生成的。在图11e和图11f中，绘图1140和图1142分别描绘了使用合成相位分布的针对x极化的期望辐射方向图的共极分量和交叉极分量。在一些示例中，绘图1130(图11c)的覆盖区域内的共极最大值约为3.21dbi，而绘图1140(图11e)的覆盖区域内的共极最大值约为2.16dbi——相对于绘图1130约损失1db。
[0101]
图12a-图12d示出了根据主题技术的各种实现方式的对于给定反射阵列单元(例如，图4的反射阵列配置400)针对x极化和y极化作为偶极子长度的函数的相位曲线和幅度曲线的绘图。在该示例中，所考虑的反射阵列天线是矩形的，由4,356个单元(66个元件在主轴中)组成。两个轴的周期均为4.5mm，其小于27.7ghz的工作频率下的半个波长，以最小化(或避免)栅瓣。馈源(或基站)可以被放置在相对于反射阵列中心的(-11.7,-1.3,9.3)m处，馈源和反射阵列天线之间的距离为15m。反射阵列配置400在偶极子之间具有约0.7mm的间隔，而所有偶极子的宽度为约0.25mm。偶极子长度被设定为l
a1
(l
b1
)＝0.65*l
a2
(l
b2
)。关于远场规范，5g基站的选定方向图在方位角具有平方余割波束，并且在仰角具有扇形波束，以在方位跨度内提供恒定的功率通量。波束指向16
°
仰角和0
°
方位角。该方向可以对应于规范中以高增益掩罩罩的区域。在图12a和图12b中，绘图1210和绘图1212分别示出了针对x极化的反射阵列单元的相位曲线和幅度曲线，假设无限周期阵列模型和以角度(θ＝51.7
°
，φ＝6.35
°
)撞击的斜入射的线极化平面波，这些角度对应于从馈源(或基站)在反射阵列天线的中心上的入射角。在图12c和图12d中，绘图1220和绘图1222分别示出了针对y极化的反射阵列单元的相位曲线和幅度曲线，其是在与图12a和图12b中所示的曲线相同的条件下获得的。
[0102]
图13示出了根据主题技术的各种实现方式的用于与图12的反射阵列单元结合使用的针对x极化和y极化的目标相移分布的曲线图。绘图1310表示从图13中描述的方向图合成操作所输出的合成相位分布。在某些方面，绘图1310显示了主轴的元件阵列，其中阵列中的特定的第i个元件的位置对应于两个线性极化所需的相移。在绘图1320中，合成相位分布针对给定偶极子长度的x极化。类似地，绘图1330中显示了针对在y极化中的偶极子长度的合成相位分布。在一些实现方式中，在两个线性极化中实施相同的相位分布。在一些方面，反射阵列天线可以根据入射场的极化以双线性极化(linear polarization，lp)或双圆极化(circular polarization，cp)辐射。
[0103]
图14a-图14c示出了根据主题技术的各种实现方式的描绘来自图13的合成相位分布的期望辐射方向图的曲线图。在图14a中，绘图1410表示：x极化中的共极方向图的仰角的主切面平面、以及掩罩阈值1412和1414(分别描绘为掩罩1和掩罩2)。掩罩阈值1412对应于最大增益阈值，并且掩罩阈值1414对应于最小增益阈值。辐射方向图信号1416具有在-25
°
至 25
°
方位角范围内被计算为介于最小阈值和最大阈值之间的电流增益。在图14b中，绘图1420描绘了针对x极化的初始辐射方向图，其中在中心频率(或预合成计算)处使用预定幅度和相位用于共极反射系数和交叉极反射系数，其中远场的共极分量显示在整个可见区域的u-v平面中。例如，绘图1420描绘了反射阵列天线在27.7ghz的工作频率下的辐射方向图，
其是通过考虑提供所需相移并且具有零介电损耗的理想反射阵列单元(或理想移相器)而生成的。图14c示出了远场辐射方向图1430，它是所需辐射方向图的共极分量的三维表示。
[0104]
图15a-15d示出了根据主题技术的各种实现方式的针对不同辐射方向图在中心频率处的方位角和仰角的主切面平面的绘图。在图15a和图15b中，绘图1510和绘图1512分别描绘了通过使用以下项获得的辐射方向图的主切面平面：理想反射阵列单元(描绘为cp|理想)、经设计的反射阵列单元的预先计算的反射系数(描绘为cp/xp|系数)、以及具有经优化的偶极子(描绘为cp/xp|偶极子)的经设计的反射阵列天线的全波仿真。可以看出，使用预先计算的反射系数的辐射方向图与使用理想反射阵列单元获得的辐射方向图完全对应，其中增益在方位角上明显更小，而由使用反射阵列(该反射阵列具有经优化的偶极子设计)的全波模拟而获得的辐射方向图与使用预先计算的方位角和仰角反射系数的辐射方向图紧密对应。在图15c和图15d中，绘图1520和绘图1522分别描绘了以不同程度的偶极子长度(描绘为cp/xp|δl)获得的辐射方向图的主切面平面。观察到辐射方向图在仰角和方位角两者上彼此对应，而与偶极子长度的变化无关。
[0105]
图16示出了根据主题技术的各种实现方式的与图14的期望辐射方向图结合使用的针对x极化和y极化在中心频率处的相位误差的度数的绘图。绘图1610表示从图7中描述的方向图合成操作输出的合成相位分布。在某些方面，绘图1610显示了主轴的元件阵列，其中阵列中的特定的第i个元件的位置对应于两个线性极化所需的相移。在绘图1620中，相对于合成相位分布的相位误差针对x极化。类似地，如绘图1630所示，相对于合成相位分布的相位误差针对y极化。
[0106]
图17a-图17d示出了根据主题技术的各种实现方式的针对不同工作频率和衬底的辐射方向图的方位角和仰角的主切面平面的绘图。在图17a和图17b中，绘图1710和绘图1712分别示出了在第一阈值频率(描绘为cp/xp|27.2ghz)、中心频率(描绘为cp/xp|27.7ghz)和在第二阈值频率(描绘为cp/xp|28.2ghz)处获得的辐射方向图的主切面平面。可以看出，辐射方向图似乎与彼此完全对应。然而，在第一阈值频率和第二阈值频率处获得的辐射方向图的增益小于在中心频率处获得的辐射方向图的增益，其中在第二阈值频率处获得的辐射方向图的增益小于在第一阈值频率处获得的辐射方向图的增益。在图17c和图17d中，绘图1720和绘图1722分别描绘了利用具有第一损耗角正切(描绘为cp/xp|tanδ＝0.0125)的衬底、具有第二损耗角正切(描绘为cp/xp|tanδ＝0.025)的衬底以及具有第三损耗角正切(描绘为cp/xp|tanδ＝0.05)的衬底获得的辐射方向图的主切面平面。观察到辐射方向图在仰角和方位角两者上彼此完全对应；然而，具有第一损耗角正切的衬底产生具有最大增益的辐射方向图，而具有第三损耗角正切的衬底产生具有最小增益的辐射方向图。
[0107]
图18a-18d示出了根据主题技术的各种实现方式的针对不同衬底介电常数的辐射方向图的方位角和仰角的主切面平面的绘图。在图18a和图18b中，绘图1810和绘图1812分别描绘了在第一衬底介电常数(描绘为cp/xp|εr＝3.65)处、在第二衬底介电常数(描绘为cp/xp|εr＝3.45)处、以及在第三衬底介电常数(描述为cp/xp|εr＝3.85)处获得的辐射方向图的主切面平面。可以看出，辐射方向图似乎彼此完全对应，而与衬底介电常数的变化无关。在图18c和图18d中，绘图1820和绘图1822分别描绘了对应于不同衬底介电常数的针对x极化的辐射模式，其中远场的共极分量显示在整个可见区域的u-v平面中。例如，绘图1820描绘了具有衬底介电常数εr＝3.65的反射阵列天线的辐射方向图，而绘图1822描绘了具有
衬底介电常数εr＝3.85的反射阵列天线的辐射方向图。在绘图1822中可以观察到相对于绘图1820的一些变化。
[0108]
图19a-图19d示出了根据主题技术的各种实现方式的针对不同电介质厚度量的辐射方向图的方位角和仰角的主切面平面的绘图。在图19a和图19b中，绘图1910和绘图1912分别描绘了在第一电介质厚度(描绘为cp/xp|h＝1.5mm)处、在第二电介质厚度(描绘为cp/xp|h＝1.37mm)处、以及在第三电介质厚度(描绘为cp/xp|h＝1.63mm)处获得的辐射方向图的主切面平面。可以看出，无论电介质厚度如何变化，辐射方向图似乎都完全彼此对应。在图19c和图19d中，绘图1920和绘图1922分别描绘了对应于不同电介质厚度的针对x极化的辐射模式，其中远场的共极分量显示在整个可见区域的u-v平面中。例如，绘图1920描绘了具有电介质厚度h＝1.5mm的反射阵列天线的辐射方向图，而绘图1922描绘了具有电介质厚度h＝1.37mm的反射阵列天线的辐射方向图。在绘图1922中可以观察到相对于绘图1920的一些变化。
[0109]
图20概念性地示出了根据主题技术的各种实现方式的反射阵列天线处于室外环境2000中的示例。无线基站(bs)2002向安装在体育场2030屋顶上的无线电装置2006发送无线信号2004并从该无线电装置2006接收无线信号2004。无线电装置2006可以向其覆盖区域内的移动设备发送无线信号并从其覆盖区域内的移动设备接收无线信号。覆盖区域可能会被室外环境中的建筑物或其他结构破坏，这可能会影响无线信号的质量。如图20所示，体育场2030及其结构特征可能影响bs 2002和/或无线电设备2006的覆盖区域，使得它具有视距(line-of-sight，los)区域。位于los区域之外的ue可能不具有无线接入、覆盖范围显著减少或覆盖范围受损。鉴于用于5g网络流量的非常高的频带(例如，毫米波频率)，可能难以将覆盖区域扩展到无线电2006的los区域之外。
[0110]
通过在结构(例如，屋顶、墙壁、柱子、窗户等)的表面上安装反射阵列天线，可以显著改善对los区域之外的用户的无线覆盖。如图20所示，反射阵列天线2010和反射阵列天线2012被放置在体育场2030的不同位置。例如，每个反射阵列天线可以被放置在屋顶边缘。
[0111]
反射阵列天线2010和反射阵列天线2012中的每一者都是坚固且低成本的无源中继天线，每一者都位于增强的位置以显著提高网络覆盖范围。如图所示，反射阵列天线2010和反射阵列天线2012中的每一者被形成、放置、配置、嵌入或以其他方式连接到体育场2030的一部分。尽管出于说明目的示出了多个反射阵列，但是取决于实现方式，可以将单个反射阵列放置在体育场2030的外表面和/或内表面中。
[0112]
在一些实现方式中，反射阵列天线2010和反射阵列天线2012中的每一者都可以用作无线电装置2006与los区域内或之外的终端用户之间的无源中继。在其他实现方式中，反射阵列天线2010和反射阵列天线2012可以通过向反射的无线信号提供传输功率的增大来充当有源中继器。非视距(non-line-of-sight，nlos)区域中的终端用户可以接收来自无线电装置2006的从反射阵列天线2010和反射阵列天线2012被反射的无线信号。在一些方面，反射阵列天线2010可以从无线电装置2006接收单个rf信号，并且可以将该信号重定向到聚焦波束2020中以到达目标位置或方向。在其他方面，反射阵列天线2012可以从无线电装置2006接收单个rf信号，并且可以将该信号重定向成在不同相位的多个反射信号2022以到达不同位置。可以使用各种配置、形状和尺寸来实现特定设计并满足特定约束。反射阵列天线2010和反射阵列天线2012可以被设计为从所示环境中的任何期望位置、在特定方向上直接
反射来自无线电装置2006的无线信号。
[0113]
对于室外环境2000中的ue和其他人，反射阵列天线2010和反射阵列天线2012可以通过将来自bs 2002和/或无线电装置2006的rf信号反射到战略方向来实现显著的性能和覆盖提升。反射阵列天线2010和反射阵列天线2012的设计以及每个相应反射阵列需要的方向(以达到的无线覆盖和性能改进)的确定考虑了：室外环境2000的几何配置(例如，无线电装置2006的放置、相对于反射阵列天线2010和反射阵列天线2012的距离等)、以及在室外环境2000中从无线电设备2006到反射阵列天线2010和反射阵列天线2012的链路预算计算。例如，反射阵列天线2010和反射阵列天线2012的设计和优化(通过执行如本文所述的、用于大入射角的、定义单层双线性极化反射阵列天线的新颖方向图合成操作来进行该设计和优化)可以帮助实现在los和nlos区域中的所需的覆盖区域。
[0114]
图21示出了可以部署反射阵列以显著提高无线覆盖和性能的另一环境。在环境2100中，bs 2102位于建筑物的顶部，这使得它难以向其范围内的ue(包括可能位于桥2104下方的nlos区域中的ue)提供良好的无线覆盖和性能。对于环境2100中的那些ue和其他人，反射阵列2106通过将来自ue的rf信号反射到聚焦方向以到达bs 2102来实现显著的性能和覆盖提升。反射阵列2106的设计考虑了：环境2100的几何配置(例如，bs 2102的放置、相对于反射阵列2106的距离等)、以及环境2100中从bs 2102到反射阵列2106的链路预算计算，如上面更详细描述的。
[0115]
请注意，反射阵列可以放置在室外环境和室内环境两者中。图22示出了根据各种示例的反射阵列在室内环境中的放置。房间2200中有一个无线电装置2202被放置在其一个角落里。无线电装置2202向房间2200中的ue(例如，在固定无线网络内)提供无线覆盖。在任何给定时间，房间2200中可能有任何数量的对高速数据通信有高需求的ue。在预定位置放置反射阵列2204-2206，这使得来自房间2200中的ue的rf波能够到达无线电装置2202并提供性能提升。反射阵列2204-2206实现的性能提升是由于从其所有单元及其导电印刷元件反射的定向波束的相长效应。请注意，该相长效应是通过无源(或有源)、低成本且易于制造的反射阵列来实现的，这对于实现5g无线通信和其他数据密集型无线应用至关重要。除了许多配置之外，本文所公开的反射阵列能够根据需要在不同频率(例如，单频带、双频带、多频带或宽带)下、使用不同材料等产生窄或宽(例如，在方位角中窄而在仰角中宽)的波束。反射阵列可以在任何无线环境中到达广泛的方向和位置。这些反射阵列成本低，易于制造和设置，并且可以自我校准，无需对其操作进行手动调整。
[0116]
图23概念性地示出了根据主题技术的各种实现方式的反射阵列天线2304放置在室内环境2300中的示例。室内环境2300可以具有放置在预定位置(未示出)的无线电装置，用于向ue(例如，蜂窝电话)发送无线通信信号。例如，无线电装置可以(例如，在固定无线网络内)向位于室内环境2300内的一个或多个ue提供无线网络覆盖。在任何给定时间，室内环境2300中可能存在任何数量的对高速数据通信有高需求的ue。可以通过来自扫描系统(未示出)的扫描结果来确定反射阵列天线2304在位置2302的放置，使得反射阵列天线2304可以使来自无线电装置的rf波(例如，2306)能够以经中继的rf波2308到达任何方向，并为初始rf信号提供性能提升。反射阵列天线2304实现的性能提升可能是由于从反射阵列天线2304中的所有单元和这些单元中的导电印刷元件反射的定向波束的相长效应。可以通过无源(或有源)、低成本且易于制造的反射阵列来实现相长效应，这对于实现5g应用至关重要。
除了许多配置之外，本文所公开的反射阵列能够根据需要在不同频率(例如，单频带、双频带、多频带或宽带)下、使用不同材料等产生窄或宽(例如，在方位角中窄而在仰角中宽)的波束。反射阵列可以在任何无线环境中到达广泛的方向和位置。这些反射阵列成本低，易于制造和设置，并且可以自我校准，无需对其操作进行手动调整。在一些实施方式中，反射阵列天线2304可以包括元结构。
[0117]
图24概念性地示出了可以实现主题技术的一种或多种实现方式的电子系统2400。例如，该电子系统2400可以是计算机、服务器或宽泛来说执行程序以通过计算机建模来设计和优化反射阵列天线设计的任何电子设备。这种电子系统包括各种类型的计算机可读介质和用于各种其他类型的计算机可读介质的接口。电子系统2400包括：总线2408、一个或多个处理单元2412、系统存储器2404(和/或缓冲器)、只读存储器(rom)2410、永久存储设备2402、输入设备接口2414、输出设备接口2406和一个或多个网络接口2416或其子集和变体。
[0118]
总线2408总体上代表：所有系统、外围设备和芯片组总线，它们以通信方式连接电子系统2400的众多内部设备。在一种或多种实现方式中，总线2408将一个或多个处理单元2412与rom 2410、系统存储器2404和永久存储设备2402通信连接。从这些不同的存储器单元中，一个或多个处理单元2412检索要执行的指令和要处理的数据，以便执行本公开的过程。例如，(一个或多个)处理单元2412可以执行实施一个或多个过程(例如，过程300和700)的指令。在不同的实现方式中，一个或多个处理单元2412可以是单个处理器或多核心处理器。
[0119]
rom 2410存储一个或多个处理单元2412和电子系统2400的其他模块所需的静态数据和指令。另一方面，永久存储设备2402可以是读写存储设备。永久存储设备2402可以是即使在电子系统2400关闭时也存储指令和数据的非易失性存储单元。在一种或多种实现方式中，大容量存储设备(例如磁盘或光盘及其对应的磁盘驱动器)可以用作永久存储设备2402。
[0120]
在一种或多种实现方式中，可移动存储设备(例如软盘、闪存驱动器及其对应的磁盘驱动器)可以用作永久存储设备2402。与永久存储设备2402一样，系统存储器2404可以是读写存储设备。然而，与永久存储设备2402不同，系统存储器2404可以是易失性读写存储器，例如随机访问存储器。系统存储器2404可以存储一个或多个处理单元2412在运行时可能需要的任何指令和数据。在一种或多种实现方式中，本公开的过程被存储在系统存储器2404、永久存储设备2402和/或rom 2410中。从这些各种存储器单元中，一个或多个处理单元2412检索要执行的指令和要处理的数据，以便执行一种或多种实现方式的过程。
[0121]
总线2408还连接到输入设备接口2414和输出设备接口2406。输入设备接口2414使用户能够向电子系统2400传达信息和为电子系统2400选择命令。可以与输入设备接口2414结合使用的输入设备可以包括：例如字母数字键盘和定位设备(也称为“光标控制设备”)。输出设备接口2406可以实现例如由电子系统2400生成的图像的显示。可以与输出设备接口2406结合使用的输出设备可以例如包括：打印机、以及显示设备，例如液晶显示器(lcd)、发光二极管(led)显示器、有机发光二极管(oled)显示器、柔性显示器、平板显示器、固态显示器、投影仪或任何其他用于输出信息的设备。一种或多种实现方式可以包括用作输入和输出设备的设备，例如触摸屏。在这些实现方式中，提供给用户的反馈可以是任何形式的感官反馈，例如视觉反馈、听觉反馈或触觉反馈；并且可以以任何形式接收来自用户的输入，包
括声音的、语音的或触觉的输入。
[0122]
最后，如图24所示，总线2408还通过一个或多个网络接口2416(例如，一个或多个无线网络接口)将电子系统2400耦合到网络(未示出)和/或耦合到一个或多个设备。以此方式，电子系统2400可以是计算机网络(例如，局域网(lan)、广域网(wan)、或内联网、或多个网络中的一个网络(比如互联网))的一部分。电子系统2400的任何或所有组件可以与本发明结合使用。
[0123]
应当理解，提供所公开示例的先前描述以使本领域的任何技术人员能够制作或使用本公开。对这些示例的各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的，并且本文定义的一般原理可以应用于其他示例而不背离本公开的精神或范围。因此，本公开不打算局限于本文所示的示例，而将被赋予与本文所公开的原则和新特性一致的最广泛的范围。
[0124]
现在将参考以下条款描述主题技术的第一方面：
[0125]
条款1.一种用于增强型无线通信应用的反射阵列天线，包括：单个衬底层；以及反射阵列单元阵列，该反射阵列单元阵列在单个衬底层上并且包括：第一多个导电元件，该第一多个导电元件被配置为以第一线性极化辐射具有第一相移的反射的射频(rf)波束；以及第二多个导电元件，该第二多个导电元件与第一多个导电元件正交布置并且被配置为以第二线性极化辐射具有第二相移的反射的rf波束，该第二线性极化与第一线性极化正交，该第二相移基本上等于第一相移。
[0126]
条款2.根据权利要求1的反射阵列天线，其中，第一多个导电元件包括至少一个沿第一轴横向延伸的偶极子，并且第二多个导电元件包括沿第二轴横向延伸的至少一个偶极子，第二轴与第一轴正交。
[0127]
条款3.根据权利要求2的反射阵列天线，其中，反射阵列单元阵列在第一轴和第二轴上具有在3.0毫米(mm)至5.0mm范围内的单元周期。
[0128]
条款4.根据权利要求1的反射阵列天线，其中，反射阵列单元阵列的每个反射阵列单元包括第一多个导电元件。
[0129]
条款5.根据权利要求2的反射阵列天线，其中，第二多个导电元件中的每个导电元件被布置在下述位置处：该位置的中心位于第一多个导电元件之间。
[0130]
条款6.根据权利要求1的反射阵列天线，其中，第一多个导电元件和第二多个导电元件中的每一个包括具有不同长度的多个偶极子，并且其中，用于第一多个导电元件和第二多个导电元件中的每一个元件的多个偶极子彼此平行排列。
[0131]
条款7.根据权利要求6的反射阵列天线，其中，第一多个导电元件和第二多个导电元件中的每一个元件包括：具有第一长度的第一偶极子、具有第二长度的第二偶极子和具有第三长度的第三偶极子，并且其中，第二偶极子介于第一偶极子和第三偶极子之间。
[0132]
条款8.根据权利要求7的反射阵列天线，其中，第二长度大于第一长度和第三长度，并且其中，第一长度基本上等于第三长度。
[0133]
条款9.根据权利要求8的反射阵列天线，其中，第一长度和第三长度中的每一者是第二长度的预定分数。
[0134]
条款10.根据权利要求1的反射阵列天线，其中，反射阵列单元阵列中的每个反射阵列单元包括：衬底、具有第一多个导电元件和第二多个导电元件的图案化层、接地平面层、接合层以及覆板，其中，覆板布置于接合层的顶表面上，接合层布置于图案化层的顶表
面上，图案化层布置于衬底的顶表面上，并且衬底布置于接地平面层的顶表面上。
[0135]
条款11.根据权利要求10的反射阵列天线，其中，覆板和衬底包括相同的复合材料。
[0136]
条款12.根据权利要求1的反射阵列天线，其中，第一多个导电元件和第二多个导电元件是不同形状的导电印刷贴片。
[0137]
条款13.根据条款1或条款2中任一项的反射阵列天线，其中，反射阵列单元阵列在第一轴和第二轴上具有在3.0毫米(mm)至5.0mm范围内的单元周期。
[0138]
条款14.根据条款1至条款3中任一项的反射阵列天线，其中，反射阵列单元阵列的每个反射阵列单元包括第一多个导电元件。
[0139]
条款15.根据条款2的反射阵列天线，其中，第二多个导电元件中的每个导电元件被布置在下述位置处：该位置的中心位于第一多个导电元件之间。
[0140]
条款16.根据条款1至条款5中任一项的反射阵列天线，其中，第一多个导电元件和第二多个导电元件中的每一个包括具有不同长度的多个偶极子，并且其中，用于第一多个导电元件和第二多个导电元件中的每一个元件的多个偶极子彼此平行排列。
[0141]
条款17.根据条款6的反射阵列天线，其中，第一多个导电元件和第二多个导电元件中的每一个元件包括：具有第一长度的第一偶极子、具有第二长度的第二偶极子和具有第三长度的第三偶极子，并且其中，第二偶极子介于第一偶极子和第三偶极子之间。
[0142]
条款18.根据条款7的反射阵列天线，其中，第二长度大于第一长度和第三长度，并且其中，第一长度基本上等于第三长度。
[0143]
条款19.根据条款8的反射阵列天线，其中，第一长度和第三长度中的每一者是第二长度的预定分数。
[0144]
条款20.根据条款1至条款9中任一项的反射阵列天线，其中，反射阵列单元阵列中的每个反射阵列单元包括：衬底、具有第一多个导电元件和第二多个导电元件的图案化层、接地平面层、接合层以及覆板，其中，覆板布置于接合层的顶表面上，接合层布置于图案化层的顶表面上，图案化层布置于衬底的顶表面上，并且衬底布置于接地平面层的顶表面上。
[0145]
条款21.根据条款10的反射阵列天线，其中，覆板和衬底包括相同的复合材料。
[0146]
条款22.根据条款1至条款11中任一项的反射阵列天线，其中，第一多个导电元件和第二多个导电元件是不同形状的导电印刷贴片。
[0147]
现在将参考以下条款描述主题技术的第二方面：
[0148]
条款23.一种设计反射阵列天线的方法，该方法包括：通过方向图合成算法确定具有反射阵列单元阵列的反射阵列面板的目标相位分布；使用预先计算的反射阵列单元表面上的反射系数确定反射阵列单元阵列中每个单元的几何参数；至少基于与目标相位分布的比较，修改反射阵列单元阵列中的每个单元中的一个或多个偶极子长度；对于至少一个线性极化，至少基于反射阵列单元阵列中修改的一个或多个偶极子长度来计算第一辐射方向图并从预先计算的反射系数计算第二辐射方向图；至少基于第一辐射方向图和第二辐射方向图之间的比较来验证反射阵列单元阵列中的每个单元的几何参数；以及提供经过验证的几何参数以用于反射阵列天线的制造。
[0149]
条款24.如权利要求23的方法，还包括：确定天线规格，该天线规格包括反射阵列天线和基站之间的几何设置；在感兴趣频带中的一个或多个频率处，针对第一线性极化和
第二线性极化，根据天线规格计算反射阵列单元的相位曲线和幅度曲线；并且在第一线性极化和第二线性极化中的至少一者中，针对该反射阵列单元将来自相位曲线的第一相位与目标相位分布的第二相位进行比较，其中当来自相位曲线的第一相位与目标相位分布的第二相位不匹配时，反射阵列单元的一个或多个偶极子长度被修改为使得第一相位和第二相位基本收敛。
[0150]
条款25.根据权利要求23的方法，其中确定目标相位分布包括：至少基于反射阵列单元阵列中的每个单元的初始几何参数和馈源位置来计算反射阵列面板的表面上的切向反射场；用指向覆盖区域的中心的笔形波束来确定辐射方向图规范；基于以预定方位角和预定仰角指向覆盖区域的散焦波束来确定反射阵列单元阵列在反射阵列面板表面上的初始相位分布；对初始相位分布执行迭代方向图合成算法的多个步骤；以及为迭代方向图合成算法的多个步骤中的每个后续步骤增大散焦波束的增益。
[0151]
条款26.根据权利要求25的方法，还包括：至少基于反射阵列天线的孔径大小来确定增益，其中增益的增大对应于在覆盖范围内围绕反射阵列天线的中心的固定数量的反射阵列元件上的预定照度水平。
[0152]
条款27.根据权利要求25的方法，进一步包括设定最小照明阈值水平和最大照明阈值水平以优化反射阵列天线的中心周围的单元环，并且其中，增大增益包括将反射阵列面板的边缘处的照明水平提高到与迭代方向图合成算法的后续步骤相对应的最小照明阈值水平和最大照明阈值水平内的水平。
[0153]
现在将参考以下条款描述主题技术的第三方面：
[0154]
条款28.一种执行反射阵列天线的方向图合成以进行制造的方法，该方法包括：至少基于反射阵列表面初始几何参数和馈源位置来计算反射阵列表面上的切向反射场；用指向覆盖区域的中心的笔形波束来确定辐射方向图规范；基于以预定方位角和预定仰角指向覆盖区域的散焦波束来确定反射阵列表面上的单元阵列的初始相位分布；对初始相位分布执行迭代方向图合成算法的多个步骤；为迭代方向图合成算法的多个步骤中的每个后续步骤增大反射阵列表面的边缘处的照明水平；根据迭代方向图合成算法的结果来确定反射阵列表面上的合成相位分布；使用合成相位分布修改反射阵列单元的一个或多个几何参数；以及处理修改后的反射阵列单元的一个或多个几何参数以制造反射阵列天线。
[0155]
条款29.根据权利要求28的方法，还包括：至少基于反射阵列天线的孔径大小来确定增益，其中增益的增大对应于在覆盖区域内围绕反射阵列天线的中心的固定数量的反射阵列元件上的预定照明水平。
[0156]
条款30.根据权利要求29的方法，其中，通过设定最小和最大照明阈值水平以优化围绕反射阵列天线的中心的单元环，散焦波束被增大以在迭代方向图合成算法的每个后续步骤覆盖中心周围的更多反射阵列元件。
[0157]
就本文使用的而言，在一系列项目前面的短语
“……
中的至少一者”——其中用术语“和”或“或”来分隔任何项目——修饰整个列表，而不是列表的每个成员(即，每个项目)。短语
“……
中的至少一者”不要求选择至少一个项目；相反，该短语允许包括任何项目中的至少一者、和/或项目的任何组合中的至少一者、和/或每个项目中的至少一者的含义。举例而言，短语“a、b和c中的至少一者”或者“a、b或c中的至少一者”分别指的是只有a、只有b或者只有c；a、b和c的任何组合；和/或a、b和c中的每一者的至少一者。
[0158]
此外，当在说明书或权利要求中使用术语“包含”、“具有”之类时，这样的术语打算是包含性的，类似于术语“包括”，就像“包括”在权利要求中被用作过渡性词语时被解释的那样。
[0159]
除非特别声明，否则以单数形式提及一元素并不打算意指“一个且只有一个”，而是“一个或多个”。术语“一些”是指一个或多个。带下划线和/或斜体的标题和副标题只是为了方便而使用的，不对主题技术进行限制，并且不是联系对主题技术的描述的解释来提及的。本领域普通技术人员已知的或者以后得知的本公开各处描述的各种配置的元素的所有结构和功能等同物，在此被通过引用明确并入，并且打算被主题技术所包含。此外，本文公开的任何内容都不打算被奉献给公众，无论这种公开是否在上述描述中被明确提及。
[0160]
虽然本说明书包含许多具体细节，但这些细节不应被解释为对可请求保护的范围的限制，而是应被解释为对主题的特定实现方式的描述。本说明书中在分开的实施例的上下文中描述的某些特征也可在单个实施例中被组合实现。相反，在单个实施例的上下文中描述的各种特征也可被分开地或者按任何适当的子组合在多个实施例中实现。此外，虽然以上可将特征描述为按某些组合来动作，或者甚至最初权利要求是这样记载的，但来自要求保护的组合的一个或多个特征在一些情况下可被从该组合中删去，并且要求保护的组合可指向子组合或子组合的变体。
[0161]
已就特定方面描述了本说明书的主题，但其他方面也可被实现，并且在所附权利要求的范围内。例如，虽然在附图中是按特定顺序描绘操作的，但这不应当被理解为，为了实现期望的结果，要求按所示出的特定顺序或按先后顺序执行这种操作，或者要求执行所有图示出的操作。权利要求中记载的动作可按不同的顺序被执行，而仍实现期望的结果。作为一个示例，附图中描绘的过程要实现期望的结果并非必然要求所示出的特定顺序或者先后顺序。此外，在以上描述的方面中各种系统组件的分离不应当被理解为在所有方面中都要求这种分离，并且应当理解，所描述的程序组件和系统一般可被一起集成在单个硬件产品中或者被封装到多个硬件产品中。其他变化在所附权利要求的范围内。